微波場中褐煤水分脫除規(guī)律及影響因素分析

王衛(wèi)東,楊 虓,孫 遠,孫軍濤,朱林豐

(中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院,北京 100083)

微波場中褐煤水分脫除規(guī)律及影響因素分析

王衛(wèi)東,楊 虓,孫 遠,孫軍濤,朱林豐

(中國礦業(yè)大學(北京)化學與環(huán)境工程學院,北京 100083)

為高效便捷地脫除褐煤中的水分,以提高褐煤品質(zhì),運用微波干燥實驗設備,對錫林郭勒褐煤進行微波干燥脫水及影響因素試驗,分析了微波場中褐煤水分脫除規(guī)律,探索了煤顆粒粒度、微波輻射功率和初始含水率對微波干燥脫水的影響。結果表明,褐煤微波干燥存在預熱、壓力升高、恒速干燥和降速干燥4個階段。預熱階段褐煤溫度迅速上升,含水率基本不變。壓力升高階段內(nèi)部蒸汽壓力迅速升高,形成較高的總壓力差,促使?jié)B透流出現(xiàn),脫水率顯著增大。恒速干燥階段蒸汽壓力和脫水率保持不變。降速干燥階段,脫水率下降,溫度升高。粒度在0.6～3.0 mm時,干燥速率最快,最大為11%/min。輻射功率小于600 W時,功率越大,干燥速率越快,溫升越快。初始含水率越高干燥速率越快,溫升越慢。

褐煤;微波干燥;脫水;提質(zhì)技術

褐煤等低階煤種在世界范圍內(nèi)的儲藏量約占世界總儲煤量的33%[1],我國已探明的褐煤保有儲量占全國煤炭總儲量的13%左右[2]。但是褐煤的高含水量(20%～50%)[3]使得其運輸、燃燒等利用方式的經(jīng)濟性大大降低。因此如何高效便捷地脫除褐煤中的水分,從而提高褐煤品質(zhì),是擴大褐煤應用范圍,提高褐煤經(jīng)濟性需要重點解決的技術問題。

國內(nèi)外褐煤提質(zhì)技術主要有蒸發(fā)干燥和非蒸發(fā)脫水兩類[3-6],但目前還沒有完善的技術實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)應用[7-11]。微波干燥技術屬于蒸發(fā)干燥,在煤炭脫水干燥方面已有專家學者進行了一定的探索研究[12-14],多集中于微波改性對煤的孔隙結構、比表面及成漿性方面[15-17],其中程軍、王愛英等認為微波輻照提質(zhì)褐煤最大成漿濃度提高10%左右;趙慶玲等認為微波干燥比對流干燥快1～2個數(shù)量級;吳海勇指出微波功率和加熱時間是影響細粉煤微波除濕的主要因素,而粒徑大小對除濕效果的影響不顯著;崔平等認為隨時間延長,粒度和煤種對微波脫水效果影響不大;M.S.Seehra認為微波脫水效率在80%左右,約有10%的水分在粉煤顆粒的毛細孔中沒法脫除[13-19]。本文主要通過實驗探索褐煤微波脫水的規(guī)律及影響褐煤脫水的關鍵因素。

1 實 驗

1.1 原 料

選用錫林郭勒褐煤,采用TGA701工業(yè)分析儀、Vario MACROCHNS元素分析儀對煤樣進行分析,煤樣的工業(yè)分析和元素分析見表1。

表1 錫林郭勒煤樣的空氣干燥基煤質(zhì)分析Table 1 Air-dried coal characteristics of X inlin coal sam p les%

根據(jù)前期探索實驗結果,粒徑大于12 mm的煤顆粒在微波處理過程中易發(fā)生燃燒現(xiàn)象,因此準備階段將煤樣用顎式破碎機破碎至3～12 mm,再將煤樣篩分成粒徑＞3,1～3,0.6～1.0,0.3～0.6,＜0.3 mm五個粒級。實驗選用最大功率為1 000 W、頻率為2.45 GHz的專用微波干燥裝置,帶有高精度的天平和紅外測溫儀,能夠?qū)崟r測量樣品質(zhì)量和表面溫度。

1.2 實驗方案

將200 mL燒杯置于微波干燥器天平上,稱取60 g左右煤樣放入燒杯中,保持煤樣平鋪。設定好微波加熱的功率、時間和最高溫度后,開啟微波功能。選取3檔功率進行微波干燥,其中功率為300 W時,間隔1 min記錄一次數(shù)據(jù);功率為600和900 W時,間隔10 s記錄一次數(shù)據(jù)。

首先,原煤在3種功率下進行微波干燥實驗,探索褐煤干燥脫水規(guī)律。然后分別對不同粒級(＞3, 1～3,0.6～1.0,0.3～0.6,＜0.3 mm)在不同微波輸出功率和不同初始含水率條件下(煤樣1為原煤浸泡24 h后用過濾機過濾后的煤樣,水分為41.85%;煤樣2為原煤,水分為33.69%;煤樣3為原煤在105℃烘箱中干燥15 min后的煤樣,其水分為19.36%)進行實驗研究,分析微波干燥脫水過程的影響因素。

2 結果與討論

2.1 褐煤微波干燥脫水規(guī)律

干燥速率的計算公式為

式中,DR為干燥速率,%/min;Mt+Δt和Mt分別為煤樣在t+Δt和t時刻的水分,%。

原煤干燥結果如圖1所示。由圖1可知,褐煤微波干燥經(jīng)歷預熱階段、壓力升高階段、恒速干燥階段和降速干燥4個階段。

(1)預熱階段。水的介電損耗比煤大得多,微波輻照能量主要由水吸收。該階段主要經(jīng)歷水吸收微波能量而升溫,并與煤本體發(fā)生傳熱的過程。因此整個預熱階段表現(xiàn)為煤樣吸收微波能量使煤樣整體升溫,而基本沒有水分散失,脫水速率基本為0。由圖1(c)可知,煤樣開始脫水的表面溫度不同,300 W時為58℃,600W和900W時約為70℃,因此預熱階段完成時的表面溫度隨功率的增大有增大的趨勢。

(2)壓力升高階段。煤樣吸收微波能量后,內(nèi)部蒸汽壓快速升高,形成內(nèi)外較高的總壓差,促使?jié)B透流出現(xiàn)[18],此時脫水速率顯著增大。

圖1 原煤微波干燥曲線Fig.1 Microwave drying curves of raw coal

(3)恒速干燥階段。煤樣內(nèi)部蒸汽壓基本保持不變,脫水速率保持不變。當煤樣含水率降低到某一臨界值時(3個功率下均約為18%),干燥速率隨含水率的降低而快速下降。同時隨著煤樣含水率的降低,煤樣表面溫度開始上升。這主要因為含水率的降低,煤樣表面不再有一個水飽和的熱表面,使蒸發(fā)區(qū)進一步移至煤樣內(nèi)部,煤樣水分散失速度降低,其水分散失所吸收的能量不足以抵消吸收的微波能,因而溫度上升。

(4)降速干燥階段。由于煤樣孔隙中水分減少和吸收的微波能量下降,導致脫水速率下降,溫度上升。

2.2 褐煤微波干燥的影響因素

2.2.1 粒度對微波干燥的影響

各粒級煤樣的干燥曲線如圖2所示。

圖2 不同粒級煤樣的微波干燥曲線(功率為600W)Fig.2 Microwave drying curves of different particle size coal(output power is 600 W)

由圖2(a)可知,當煤樣粒級在0.6～3.0 mm時,干燥速度最快(最大為11%/min)、干燥效果最好(含水率降為7%),＞3 mm和＜0.3 mm粒級干燥速度次之(最大為6%/min),0.3～0.6 mm粒級干燥速度最慢(最大為5%/min)。表明煤樣粒度是影響微波干燥的關鍵因素之一。

由圖2(b)可以看出,干燥速率越快,恒速干燥階段越短。雖然各個粒級干燥速率差異較大,但其臨界含水率都在19%左右,表明臨界含水率與粒度沒有必然聯(lián)系,而只與煤樣水分與內(nèi)部結構有關。

由圖2(c)可以看出,粒徑越大,干燥時蒸發(fā)溫度越高。因為粒徑越大,煤樣比表面積越小,而微波加熱是從內(nèi)到外均勻加熱,熱量從煤樣內(nèi)部向表面?zhèn)鬟f,比表面積小時煤樣表面熱量散發(fā)相對較少,因而溫度越高。

2.2.2 功率對微波干燥的影響

圖3給出了0.6～3.0 mm粒級煤樣在不同微波功率時的干燥曲線。從圖3可以看出:①3種微波功率(300,600和900W)時的干燥預熱時間分別為5, 1 min和幾乎沒有。在恒速干燥階段的干燥速率分別為1.8%/min,12.0%/min和11.2%/min,而恒速干燥時間分別為8,1和1 min。這表明隨著輸出功率的增加,干燥預熱時間越短,干燥速度越快,功率為600 W時干燥速度最快,干燥持續(xù)時間最短。②3種不同功率條件下,干燥從恒速干燥階段進入降速干燥階段時的含水率都在20%左右,表明微波功率對臨界含水率沒有影響,臨界含水率主要與物料的性質(zhì)有關。③3種功率下煤樣溫度上升到恒溫區(qū)所用的時間分別為4,1和0.5 min,表明功率越大,溫度上升的越快。

圖3 不同功率下的微波干燥曲線Fig.3 Microwave drying curves of different power

根據(jù)能量守恒和轉(zhuǎn)換定律,被吸收的微波能量將全部轉(zhuǎn)換為熱能。熱量將用于煤樣的升溫和蒸發(fā)水分,功率越高,單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換的熱能就越多,升溫速度越快,蒸發(fā)的速率也會加快,使得恒溫時間相對縮短。然而功率超過一定值后微波能利用率反而降低,表明微波干燥一定規(guī)格初含水率的煤樣存在最佳功率,本實驗中600 W時干燥效率最好。

2.2.3 初始含水量對微波干燥的影響

從圖3(a)可以看出,相同功率不同初始含水率煤樣的預熱時間均為30 s左右。煤樣初始含水率越高,干燥速度越快,煤樣初始含水率越低,升溫速度越快。初始含水量對微波干燥的影響曲線如圖4所示。

圖4 不同初始含水量的微波干燥曲線Fig.4 Microwave drying curves of different initialwater content

由圖4可知,含水率高時,煤樣內(nèi)部水分移動速度可以滿足表面蒸發(fā)干燥速度不變。隨著煤樣中自由水的排出,結合水與毛細管水具有較高的束縛能,因此排出單位質(zhì)量的水需要更長時間和更多能量,干燥速度自然會降低。同時因為水的介電常數(shù)隨溫度的升高而降低[18-20],煤樣含水率高時,煤樣的介電損耗隨溫度的升高而降低,具有負的“溫度系數(shù)”,即煤樣中溫度低的地方,吸收功率多,而溫度高的地方,吸收功率少,這樣有利于煤樣的均勻加熱。相反煤樣含水率低時,煤樣的介電損耗隨溫度的升高而增加[18],具有正的溫度系數(shù),溫度越高的地方介電損耗越大,溫升越快,溫度的上升又進一步使介電損耗增大,它反過來又會促進溫度的上升,如此循環(huán)會使煤樣內(nèi)溫度失控,對干燥不利。

3 結 論

(1)褐煤微波干燥存在預熱、壓力升高、恒速干燥和降速干燥4個階段。預熱階段褐煤吸收微波能,溫度升高,脫水率基本為0;壓力升高階段,褐煤吸收微波能,使內(nèi)部蒸汽壓迅速升高,促使?jié)B透流出現(xiàn),脫水率顯著增大;恒速干燥階段煤樣內(nèi)部蒸汽壓保持不變,脫水速率保持不變,當煤樣含水率降到某一臨界值(實驗煤種約為18%),干燥速率快速下降;降速干燥階段煤樣空隙中水分減少,吸收的微波能下降,導致脫水速率下降,溫度上升。

(2)微波功率為600 W時,0.6～3.0 mm粒級的褐煤干燥速率最快(最大11%/min),干燥效果最好(含水率降為7%左右)。

(3)褐煤微波干燥存在一個最佳功率(本試驗為600 W)。微波功率低于最佳功率時,功率越高,單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)換的熱能越多,升溫速度就會越快,蒸發(fā)的速度也會越快;而微波功率高于最佳功率時,隨著微波功率的增加,脫水速率增加不明顯。

(4)褐煤煤樣的初始含水率越高,干燥速度越快,初始含水率越低,升溫速度越快。

[1] Saeki T,Tatsukawa T,Usui H.Preparation techniques of coal wa-termixtureswith upgraded low rank coals[J].International Journal of Coal Preparation and Utilization,1999,21(1):161-176.

[2] 李恩利,高建國,崔紅梅,等.我國褐煤提質(zhì)項目風險分析[J].煤炭經(jīng)濟研究,2009(12):25-26.

Li Enli,GaoJianguo,CuiHongmei,etal.The risk analysis of lignite upgrading project in China[J].Coal Economic Research,2009 (12):25-26.

[3] Nakagawa H,Namba A,Bohlmann M,etal.Hydrothermal dewatering of brown coal and catalytic hydrothermal gasification of the organic compounds dissolving in the water using a novel Ni/carbon catalyst [J].Fuel,2004,83(6):719-725.

[4] Kouichi Miura,Kazuhiro Mae,Ryuichi Ashida,et al.Dewatering of coal through solvent extraction[J].Fuel,2002,81(11/12):1417-1422.

[5] Sugita Satoru,Deguchi Tetuya,Shigehisa Takuo.UBC(Up-graded Brown Coa1)process development[J].Kobe Steel Engineering Reports,2003,53(20):4-25.

[6] Tatlor R W.Solar gasification of carbonaceousmaterials[J].Solar Energy,1983,30(6):513-526.

[7] Hassan K,Rajender G.Low-grade coals:A review of some prospective upgrading technologies[J].Energy Fuels,2009,23(7):3392-3405.

[8] Toru Sugita.UBC(Upgraded Brown Coal)process development[R].Kobe:Kobe Steel Engineering Reports,2003.

[9] Butler C J,Green A M,Chaffee A L.Assessment of the physical and chemical properties ofmechanical thermal expression product water [A].12th International Conference on Coal Science[C].Australia: Cairns,2003:2-6.

[10] 尹立群.我國褐煤資源及其利用前景[J].煤炭科學技術, 2004,32(8):12-14,23.

Yin Liqun.Lignite resources and utilization outlook in China[J].Coal Science and Technology,2004,32(8):12-14,23.

[11] 萬永周,肖 雷,陶秀祥,等.褐煤脫水預干燥技術進展[J].煤炭工程,2008(8):91-93.

Wan Yongzhou,Xiao Lei,Tao Xiuxiang,et al.Lignite predrying dehydration technology progress[J].Coal Engineering,2008(8):91-93.

[12] 高俊榮,陶秀祥,侯 彤,等.褐煤干燥脫水技術的研究進展[J].潔凈煤技術,2008,14(6):73-76.

Gao Junrong,Tao Xiuxiang,Hou Tong,et al.Progress of lignite dryng and dehydration technology[J].Clean Coal Technology, 2008,14(6):73-76.

[13] 周俊虎,李艷昌,程 軍,等.神華煤微波改性提高成漿性能的研究[J].煤炭學報,2007,32(6):617-621.

Zhou Junhu,Li Yanchang,Cheng Jun,et al.Research of improving slurrying property of Shenhua coal by microwave pre-heating[J].Journal of China Coal Society,2007,32(6):617-621.

[14] 趙慶玲,段滋華,劉 寶.微波能在煤炭加工中的應用前景[J].煤炭轉(zhuǎn)化,1993,16(4):35-39.

Zhao Qingling,Duan Zihua,Liu Bao.Application of microwave power in coal processing[J].Coal Conversion,1993,16(4):35-39.

[15] 吳海勇,曾加慶.微波加熱在煤除濕中的應用研究[J].工業(yè)加熱,2009,38(2):12-16.

Wu Haiyong,Zeng Jiaqing.Study on the application of coal dewatering bymicrowave[J].Heating Industrial Heating,2009,38(2): 12-16.

[16] 崔 平,王知彩,胡政平,等.微波作用下的細粉煤脫水研究[J].燃料化學學報,2002,30(2):178-181.

Cui Ping,Wang Zhicai,Hu Zhengping,et al.Study on the effect of themicrowave on the dewatering of fine coal[J].Journal of Fuel Chemistry and Technology,2002,30(2):178-181.

[17] Kamel M,Lombrana JIC,Elvira De,et al.Drying kinetics and energy consumption in vacuum drying processwithmicrowave and radiant heating[J].Chinese Journal of Chemical Engineering,2004, 12(6):809-813.

[18] 趙 虹,郭 飛,楊建國.印尼褐煤的吸附特性及脫水研究[J].煤炭學報,2008,33(7):799-802.

Zhao Hong,Guo Fei,Yang Jianguo.Adsorption characteristic of Indonesia lignite and dewater experiment[J].Journal of China Coal Society,2008,33(7):799-802.

[19] Seehra M S,Kalra A,Manivannan A.Dewatering of fine coal slurries by selective heating with microwaves[J].Fuel,2007,86(5-6):829-834.

[20] 劉志軍.木材微波干燥特性的研究[D].北京:中國林業(yè)大學, 2006.

Liu Zhijun.Research on characteristics of wood microwave drying [D].Beijing:Beijing Forestry University,2006.

[21] 王 禹,孫海濤,王寶輝,等.微波的熱效應與非熱效應[J].遼寧化工,2006,35(3):167-169.

Wang Yu,Sun Haitao,Wang Baohui,et al.A study on thermal efficiency and non-thermal efficiency of microwave[J].Liaoning Chemical Industry,2006,35(3):167-169.

[22] 張志誠.煤介特性及水分測量理論與方法研究[D].北京:華北電力大學,2008.

Zhang Zhicheng.Research on measurement of coal permittivity and moisture in coal[D].Beijing:North China Elctric Power University,2008.

Lignite dewatering rule and related influencing factors in the m icrowave field

WANGWei-dong,YANG Xiao,SUN Yuan,SUN Jun-tao,ZHU Lin-feng

(School ofChemical&Environmental Engineering,China University ofMining and Technology(Beijing),Beijing 100083,China)

In order to remove the moisture and upgrade the quality of lignite with efficientmethods,a specially-designed microwave equipment was used to remove water from the lignite and the key influencing factors during the processwere analyzed.The effects of coal particle sizes,radiation powers and initialmoisture contents on the dewatering processwere investigated.The results indicate that there were conceptually four stages(preheating stage,pressurizing stage,constant-rate drying stage and falling-rate drying stage)during the whole drying process in microwave.The temperature of lignite rose quickly while the moisture content is nearly constant in preheating stage.The dehydration rate increases notably in the pressurizing stage as the seepage flow generated from the large pressure gradient between internal and external particles.The vapor pressure and dehydration rate is steady in the constant-rate drying stage.The dehydration rate decreases while the lignite temperature increases in the falling-rate drying stage.The peak drying rate could reach 11%perminute when the particle size is0.6-3.0 mm.The drying rate increaseswith the increasingmicrowave output power when the power is less than 600 W.Generally,the high initialmoisture content of coal would cause high drying rate,but slow increase in lignite temperature.

lignite;microwave drying;dehydration;upgrading technology

TQ536.1

A

0253-9993(2014)06-1159-05

王衛(wèi)東,楊 虓,孫 遠,等.微波場中褐煤水分脫除規(guī)律及影響因素分析[J].煤炭學報,2014,39(6):1159-1163.

10.13225/j.cnki.jccs.2013.1096

Wang Weidong,Yang Xiao,Sun Yuan,et al.Lignite dewatering rule and related influencing factors in themicrowave field[J].Journal of China Coal Society,2014,39(6):1159-1163.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2013.1096

2013-07-30 責任編輯:張曉寧

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)資助項目(2012CB214900);國家自然科學基金資助項目(51204190);北京高等學校青年英才計劃資助項目

王衛(wèi)東(1978—),男,安徽淮北人,副教授。Tel:010-62331244,E-mail:wwd@cumtb.edu.cn